光课程设计光波在介质中界面上的反射及透射特性的仿真.docx
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光课程设计光波在介质中界面上的反射及透射特性的仿真
邮电大学
光学报告
学院
:
电子工程
学生
:
专业名称
:
光信息科学与技术
班级
:
光信1103班
设计名称:
光波在介质中界面上的反射与透射特性的仿真
一、课程设计目的
1.掌握反射系数与透射系数的概念;
2.掌握反射光与透射光振幅和相位的变化规律;
3.掌握布儒斯特角和全反射临界角的概念。
二、任务与要求
对n1=1、n2=1.52与n1=1.52、n2=1的两种情况下,分别计算反射光与透射光
振幅和相位的变化,绘出变化曲线并总结规律。
三、课程设计原理
光在介质界面上的反射和折射特性与电矢量的振动方向密切相关。
由于平面光波
的横波特性,电矢量可在垂直传播方向的平面的任意方向上振动,而它总可以
分解成垂直于入射面振动的分量和平行于入射面振动的分量,一旦这两个分量的
反射、折射特性确定,则任意方向上的振动的光的反射、折射特性也即确定。
菲
涅耳公式就是确定这两个振动分量反射、折射特性的定量关系式。
(1)s分量和p分量
垂直入射面的振动分量--s分量
平行入射面的振动分量--p分量
定义:
s分量、p分量的反射系数、透射系数分别为
(2)反射系数和透射系数
定义:
s分量、p分量的反射系数、透射系数分别为
(3)菲涅耳公式
已知界面两侧的折射率
和入射角
,就可由折射定律确定折射角
;进而可由菲涅耳公式求出反射系数和透射系数。
绘出如下按光学玻璃(n=1.5)和空气界面计算,在
(光由光疏介质射向光密介质)和
(光由光密介质射向光疏介质)两种情况下,反射系数、透射系数随入射角
的变化曲线。
(a)光由光疏介质射向光密介质(b)光由光密介质射向光疏介
反射光与入射光中s,p分量的相位关系:
(1)n1<n2时,光疏入射光密
s分量的反射系数
:
反射光中的s分量与入射光中的s分量相位相反;
反射光中的s分量相对入射光中的s分量存在一个
相位突变(
=
);
p分量的反射系数
:
在
<
围,
>0,反射光中的p分p量与入射光中的分量相位相同(
=0);
在
>
围,
<0,反射光中的p分量相对入射光中的p分量有π相位突变(
=
);
(2)n1>n2时,光密入射光疏
s分量的反射系数
:
入射角
在0到
(临界角,
)的围,s分量的反射系数
>0。
反射光中的s分量与入射光中的s分量同相位,
=0;
入射角
>
时,发生全反射,
(
);
p分量的反射系数
:
在
<
围,
<0,反射光中的p分量相对入射光中的p分量有π相位突变(
=
);
在
<
<
围,
>0,反射光中的p分量与入射光中的p分量相位相同(
=0);
入射角
>
时,发生全反射,
;
四、课程设计步骤(流程图)
(1)定义变量n1,n2,f1.
(2)给变量赋值,其中n1=1,n2=1.52,还有一种情况其中
n1=1.52,n2=1
(3)设计for循环,使f1每循环一次加π/1000,实现在f1每变化一次下,得
出相应的反射系数,透射系数的值,从而得出程序的循环
(4)根据程序仿真结果
五、仿真结果分析
结论:
光在介质面上的反射、透射特性有三个因素决定:
入射光的偏振态,入射
角,界面两侧介质的折射率。
(1)光波由光疏介质射向光密介质(n1a.n1(即frs=π)
b.而p分量的反射系数rp在f10,说明反射光中的p分量与入射光
中的p分量相位相同。
(即frp=0)
c.在f1>fb围,rp<0,说明反射光中的p分量与入射光中的p分量π相位突变。
(即frp=π)
(2)光波由光密介质射向光疏介质(n1>n2)
a.入射角f1在0到fc的围,s分量的反射系数rs>0,说明反射光中s分量与入射
光中的s分量同相位。
(即frs=0)
b.P分量的反射系数rp在f1的p分量有π相位突变。
(即frp=π)
c.在fb0,说明反射光中的p分量与入射光中的p分量相位相同。
六、仿真小结
光在介质界面上的反射、透射特性由三个因素决定:
(1)入射光的偏振态;
(2)
入射角;(3)界面两侧介质的折射率。
由rs、rp、ts、tp随入射角的变化曲线
可知,在入射角从0度到90度的变化围,不论光波以什么角度入射至界面,
也不论界面两侧折射率大小如何,s分量和p分量的透射系数t总是取正值,因
此,折射光总是与入射光同相位。
通过本次实验,掌握了反射系数与透射系数的
概念,反射光与透射光振幅和相位的变化规律,布儒斯特角和全反射临界角的概
念。
七、程序
clearall;
%n1=1;
%n2=1.52;
n1=1.52;
n2=1;
n=n2./n1;
ifn1subplot(1,3,1)
qa=0:
pi/100:
pi/2;
qb=asin(n1.*sin(qa)./n2);
rs=-sin(qa-qb)./sin(qa+qb);
rp=tan(qa-qb)./tan(qa+qb);
ts=2.*cos(qa).*sin(qb)./sin(qa+qb);
tp=2.*cos(qa).*sin(qb)./sin(qa+qb)./cos(qa-qb);
plot(qa*180./pi,rs,'r',qa*180./pi,rp,'c',qa*180./pi,ts,'b',qa*180./pi,tp,'g')
legend('rs','rp','ts','tp')
%rs
subplot(1,3,2)
forqa=0:
pi/1000:
pi/2
qb=asin(n1.*sin(qa)./n2);
rs=-sin(qa-qb)./sin(qa+qb);
ifrs<=0
Frs=pi;
else
Frs=0;
end
plot(qa*180./pi,Frs,'r')
holdon
end
legend('Frs')
%rp
subplot(1,3,3)
forqa=0:
pi/1000:
pi/2
qb=asin(n1.*sin(qa)./n2);
rp=tan(qa-qb)./tan(qa+qb);
ifrp<=0
Frp=pi;
else
Frp=0;
end
plot(qa*180./pi,Frp,'b')
holdon
end
legend('Frp')
else
subplot(1,3,1)
qc=asin(n2./n1);
qa=0:
0.0001:
qc;
qb=asin(n1.*sin(qa)./n2);
rs=-sin(qa-qb)./sin(qa+qb);
rp=tan(qa-qb)./tan(qa+qb);
ts=2.*cos(qa).*sin(qb)./sin(qa+qb);
tp=2.*cos(qa).*sin(qb)./sin(qa+qb)./cos(qa-qb);
plot(qa*180./pi,rs,'r',qa*180./pi,rp,'c',qa*180./pi,ts,'b',qa*180./pi,tp,'g')
holdon
qa=qc:
0.0001:
pi/2;
tp=0;
ts=0;
rs=1;
rp=1;
plot(qa*180./pi,rs,'r',qa*180./pi,rp,'c',qa*180./pi,ts,'b',qa*180./pi,tp,'g')
holdon
legend('rs','rp','ts','tp')
%rs
qc=asin(n2./n1);
subplot(1,3,2)
forqa=0:
pi/1000:
qc
qb=asin(n1.*sin(qa)./n2);
rs=-sin(qa-qb)./sin(qa+qb);
ifrs<=0
Frs=pi;
else
Frs=0;
end
plot(qa*180./pi,Frs,'r')
holdon
end
qa=qc:
pi/1000:
pi/2;
Frs=2.*atan(sqrt(sin(qa).^2-(n.^2))./cos(qa));
plot(qa*180./pi,Frs,'r')
holdon
legend('Frs')
%rp
subplot(1,3,3)
forqa=0:
pi/1000:
qc;
qb=asin(n1.*sin(qa)./n2);
rp=tan(qa-qb)./tan(qa+qb);
ifrp<=0
Frp=pi;
else
Frp=0;
end
plot(qa*180./pi,Frp,'b')
holdon
end
qa=qc:
pi/1000:
pi/2;
Frp=2.*atan(sqrt(sin(qa).^2-(n.^2))./cos(qa)./n.^2);
plot(qa*180./pi,Frp,'b')
holdon
legend('Frp')
end